CN108015414A - 一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法。系统包括中性密度衰减方片、与之匹配的衰减片夹持装具、单轴向步进电机、激光系统、二向色镜、长工作距离聚焦物镜、透明样品、用于放置所述透明样品的透明样品加工模具、用于固定所述透明样品加工模具的三维位移台、计算机和电机控制箱；激光系统发出激光光束，其透射过中性密度衰减方片后，经二向色镜被反射导入长工作距离聚焦物镜之中进行聚焦，对透明样品进行加工。计算机根据三维位移台的运动速度和已位移时间计算出单轴向步进电机的实时位移速度，实时反馈到电机控制箱，实现对单轴向步进电机和三维位移台的速度控制。进而使得激光在表面和内部加工时的刻蚀尺度保持一致。

Description

一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及激光微纳米制造技术领域，尤其涉及一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法。
背景技术
飞秒激光具有超高的峰值功率密度(>1013W/cm2)和极短的脉冲宽度(<10-12s)的物理特性。当将飞秒激光脉冲聚焦于材料的内部时，可在以聚焦物镜焦点为中心的近椭球型微/纳米尺度的体元(聚焦激光作用下所影响到的体积单元)中产生极强的能量场，进而实现对材料内部特定微区空间的选择性刻蚀。近年来，采用飞秒激光内雕加工三维空腔结构的相关技术得到广泛的学术关注和初步的应用研究，主要面向三维微流控芯片制造和微机电系统(MEMS)制造等领域的未来潜在应用。
目前，面向于制作三维微流控芯片的飞秒激光内雕三维空腔结构的技术一般采用自下而上(Bottom-Up)的结构加工模式，即：从片状透明样品的下表面选择加工起始位置向材料内部进行三维空腔结构的直写刻蚀的方式。然而这种Bottom-Up的加工方式往往存在两方面问题：
一是由于在Bottom-Up的加工模式下，一般需保证物镜焦点的空间绝对位置固定不变，透明样品的下表面置于物镜焦点位置的上方，这样，当透明样品台自上而下的运动时，透明样品下表面则自上而下地接近焦点，直至界面与焦点位置完全重合(如图1所示)。在高能量密度的聚焦激光与下表面界面相作用的瞬间，在固-气边界存在很强的界面效应，等离子的产生极为不稳定，激光能量不能得到有效利用，因此往往不能达到预期的破坏效果。为了实现对该位置有效的破坏，确保在继续向内部加工时气态分解产物或固体杂质能够从下表面有效排出，则往往需要采用远高于材料破坏阈值的激光能量对该位置进行加工；而一旦在界面上实现一定深度刻蚀后，激光能量的利用率将显著增加，却使得激光在表面和内部加工时的刻蚀尺度不一致，导致结构均一性较差，差异化明显。
二是当在透明样品内部不同深度进行微结构加工时，激光在介质中传播的距离是变化的，基于Lamber-Beer定律，透射于激光能量会被介质部分吸收，因此有效沉积的激光能量透射随深度增加而减少，导致加工结构随深度变化时存在加工尺度差异。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法，使得激光在表面和内部加工时的刻蚀尺度保持一致。
本发明提供的一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统，其改进之处在于，所述系统包括中性密度衰减方片1、与之匹配的衰减片夹持装具2、单轴向步进电机3、激光系统4、二向色镜5、长工作距离聚焦物镜6、透明样品7、用于放置所述透明样品7的透明样品加工模具8和用于固定所述透明样品加工模具8的三维位移台9；
所述衰减片夹持装具2安装在所述单轴向步进电机3上；
所述激光系统4发出激光光束，其透射过所述中性密度衰减方片1后，经二向色镜5被反射导入所述长工作距离聚焦物镜6之中进行聚焦，对所述透明样品7进行加工。
优选的，所述系统包括相互通信的计算机10和电机控制箱11；
所述计算机10根据所述三维位移台9的运动速度和已位移时间计算出所述单轴向步进电机3的实时位移速度，实时反馈到所述电机控制箱11，实现对所述单轴向步进电机3和所述三维位移台9的速度控制。
较优选的，所述系统包括用于采集所述长工作距离聚焦物镜6焦面位置可见光图像的CCD相机12。
较优选的，所述透明样品加工模具8上设置导气口。
本发明提供的基于上述激光三维内雕加工能量动态补偿系统的操作方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)激光系统4发出激光光束，通过中性密度衰减方片1，入射到二向色镜5上，反射到透明样品7上；
(2)计算机10计算透过所述中性密度衰减方片1的激光光束功率；
(3)判断所述激光光束功率是否达到初始功率，若是则进行下一步，否则计算机10控制电机控制箱11调节单轴向步进电机3的速度，改变所述中性密度衰减方片1的位置；
(4)控制三维位移台9的速度，使长工作距离聚焦物镜6运动到初始加工位置；
(5)进行激光加工；
(6)判断Z轴方向是否改变位置，是则所述计算机10控制电机控制箱11调节单轴向步进电机3的速度，改变所述中性密度衰减方片1的位置，并进行下一步，否则单轴向步进电机3的位置不变，继续进行激光加工。
优选的，所述Z轴方向是指沿着所述透明样品7的厚度方向。
本发明的技术方案中，可根据在透明样品加工中三维位移台Z方向(厚度方向)运动加工速度和运动时间，计算得到在不同时间激光焦点所处的深度以及在该深度上所需的激光衰减值，实时修正衰减片横向位移速度使得激光通过衰减片上相应衰减强度的区域，令激光能量能够在不同加工位置(界面、不同深度)处得到相应补偿，以保持激光加工效果在整个三维加工过程具有较高均一性。也是对提高激光三维内雕加工工艺有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的Bottom-Up式飞秒激光三维内雕过程示意图；
图2为本发明实施例的激光三维内雕加工能量动态补偿系统结构示意图图中，1为中性密度衰减方片，2为衰减片夹持装具，3为单轴向步进电机，4为激光系统，5为二向色镜，6为长工作距离聚焦物镜，7为透明样品，8为透明样品加工模具，9为三维位移台，10为计算机，11为电机控制箱，12为CCD相机；
图3为本发明实施例的激光三维内雕加工能量动态补偿系统的操作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本实施例提供的一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统，其结构示意图如图1所示，系统包括中性密度衰减方片1、与之匹配的衰减片夹持装具2、单轴向步进电机3、激光系统4、二向色镜5、长工作距离聚焦物镜6、透明样品7、用于放置所述透明样品7的并设有导气口的透明样品加工模具8和用于固定所述透明样品加工模具8的三维位移台9；所述衰减片夹持装具2安装在所述单轴向步进电机3上；所述激光系统4发出激光光束，其透射过所述中性密度衰减方片1后，经二向色镜5被反射导入所述长工作距离聚焦物镜6之中进行聚焦，对所述透明样品7进行加工。
优选的，本实施例的系统还包括相互通信的计算机10和电机控制箱11；所述计算机10根据所述三维位移台9的运动速度和已位移时间计算出所述单轴向步进电机3的实时位移速度，实时反馈到所述电机控制箱11，实现对所述单轴向步进电机3和所述三维位移台9的速度控制。基于上述系统，实现了激光在透明样品表面和内部加工时的刻蚀尺度保持一致的效果。
优选的，本实施例的系统还包括CCD相机(12)，用于采集长工作距离聚焦物镜6焦面位置可见光图像，对图像拍照并保存。
具体的，根据上述系统，本实施例对其的操作方法其流程图如图3所示，包括如下步骤：
(1)激光系统4发出激光光束，通过中性密度衰减方片1，入射到二向色镜5上，反射到透明样品7上；
(2)计算机10计算透过所述中性密度衰减方片1的激光光束功率；
(3)判断所述激光光束功率是否达到初始功率，若是则进行下一步，否则计算机10控制电机控制箱11调节单轴向步进电机3的速度，改变所述中性密度衰减方片1的位置；此过程中，经过CCD相机12的位置判定，当激光焦点与样品位置处于图1(a)区域位置时，激光光束需经过中性密度衰减方片1表面衰减率相对较低位置，此时激光衰减系数为α；以Thorlabs公司金属膜中性密度滤光片为例，该衰减片根据镀膜厚度的不同可使透射激光功率得到衰减。以该公司某型产品为例，这类连续可调中性密度衰减方片透射率可实现从0.01％到98％线性连续可调。配合激光功率计对衰减后的激光功率的测试，通过控制电机运动调节衰减强度，可得到预期初始激光功率的数值。若起始激光加工功率设2.1W，当激光系统输出功率为3.0W时，初始衰减需调节到片上70％标尺位置附近。
(4)控制三维位移台9的速度，使长工作距离聚焦物镜6焦点运动到初始加工位置；具体的，经过初步衰减后的激光经二向色镜5及长工作距离聚焦物镜6聚焦于待加工透明电介质材料下方，即如附图1(a)所示位置；随后通过调整三维位移台9的高度使激光聚焦光斑位置位于待加工样品下表面，也即初始加工位置，如图1(b)所示；
(5)进行激光加工；
(6)判断Z轴方向是否改变位置，是则所述计算机10控制电机控制箱11调节单轴向步进电机3的速度，改变所述中性密度衰减方片1的位置，并进行下一步，否则单轴向步进电机3的位置不变，继续进行激光加工。其中，Z轴方向是指沿着所述透明样品7的厚度方向。
具体的，如图1所示，随着加工过程的开始，加工焦点逐渐移至图1(b)处与样品下表面接触，此后逐渐向上位移至图1(c)样品内部某处，此时需根据三维位移台9在Z轴方向的运动速度计算得到单轴向步进电机3实时的补偿运动速率，使得激光光束在运动加工过程中渐次由通过中性密度衰减方片1中低衰减区逐渐移向高衰减区域，使得激光能量衰减率线性或非线性地由α下降至β，使得激光加工在任意深度的加工效果都近似保持一致。当激光加工由较浅位置移向较深位置时则控制相反。例如，激光在加工起始点功率为2.1W，然而在激光上表面加工的同等破坏效果仅为1.5W，也即初始功率的50％，故假设在加工片厚为2mm的样品时，激光沿Z轴方向连续运动时需连续进行20％的衰减，也即10％/mm的衰减需求。假设加工沿Z轴方向运动速度为0.1mm/s，则加工片厚2mm样品共需20s。而在连续可调衰减片上，20％的衰减区域横向距离假设为4cm，则在Vz＝0.1mm/s的条件下，控制能量动态补偿衰减方片运动的电机轴向运动速度为VM＝2mm/s。通过上述各步骤，实现在激光三维内雕加工时的能量一致性补偿。
本实施例需要说明的是：
初始功率是指在透明样品最底部时对透明样品进行加工时需要的功率，由用户根据透明样品材质确定。
初始加工位置是指加工透明样品时的起始位置，用户可事先在透明样品上标定此位置，或者通过CCD相机确定此位置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统，其特征在于，所述系统包括中性密度衰减方片(1)、与之匹配的衰减片夹持装具(2)、单轴向步进电机(3)、激光系统(4)、二向色镜(5)、长工作距离聚焦物镜(6)、透明样品(7)、用于放置所述透明样品(7)的透明样品加工模具(8)和用于固定所述透明样品加工模具(8)的三维位移台(9)；
所述衰减片夹持装具(2)安装在所述单轴向步进电机(3)上；
所述激光系统(4)发出激光光束，其透射过所述中性密度衰减方片(1)后，经二向色镜(5)被反射导入所述长工作距离聚焦物镜(6)之中进行聚焦，对所述透明样品(7)进行加工。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括相互通信的计算机(10)和电机控制箱(11)；
所述计算机(10)根据所述三维位移台(9)的运动速度和已位移时间计算出所述单轴向步进电机(3)的实时位移速度，实时反馈到所述电机控制箱(11)，实现对所述单轴向步进电机(3)和所述三维位移台(9)的速度控制。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于采集所述长工作距离聚焦物镜(6)焦面位置可见光图像的CCD相机(12)。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透明样品加工模具(8)上设置导气口。
5.一种使用权利要求1-4任意一项所述的激光三维内雕加工能量动态补偿系统的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)激光系统(4)发出激光光束，通过中性密度衰减方片(1)，入射到二向色镜(5)上，反射到透明样品(7)上；
(2)计算机(10)计算透过所述中性密度衰减方片(1)的激光光束功率；
(3)判断所述激光光束功率是否达到初始功率，若是则进行下一步，否则计算机(10)控制电机控制箱(11)调节单轴向步进电机(3)的速度，改变所述中性密度衰减方片(1)的位置；
(4)控制三维位移台(9)的速度，使长工作距离聚焦物镜(6)的焦点运动到初始加工位置；
(5)进行激光加工；
(6)判断Z轴方向是否改变位置，是则所述计算机(10)控制电机控制箱(11)调节单轴向步进电机(3)的速度，改变所述中性密度衰减方片(1)的位置，并进行下一步，否则单轴向步进电机(3)的位置不变，继续进行激光加工。
6.如权利要求5所述的操作方法，其特征在于，所述Z轴方向是指沿着所述透明样品(7)的厚度方向。
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